ШТУЦЕР-КЛАПАН

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может найти применение при закачке рабочего агента в нагнетательную скважину.

Известно устройство штуцерное 2ШУ с керамической вставкой 2 ВКЦ, изготовленное по ТУ 4218-001-43826012-98.

Штуцерное устройство 2ШУ предназначено для регулирования объемов закачиваемой и откачиваемой жидкости в нагнетательных и добывающих скважинах в составе устьевой арматуры. Конструктивно выполнено в виде законченного узла, устанавливаемого на трубопроводах между двумя фланцами по ОСТ 26-16-1610-79 вместо стальной кольцевой прокладки, не требующего дополнительного уплотнения. Размеры посадочного места охватывают все виды фонтанной арматуры.

Применение в качестве дросселирующего элемента вставки из специальной сверхтвердой керамики взамен электрокорундовой позволило снизить интенсивность износа и увеличить срок службы штуцерных устройств в среднем в 4-6 раз. Керамические вставки 2ВКЦ могут поставляться также и отдельно. В конструкции предусмотрен фильтрующий элемент, позволяющий исключить случаи забивания отверстия дросселя крупными частицами механических примесей. Штуцерное устройство хорошо работает даже при наличии в рабочей жидкости большого количества абразивных частиц.

Устройство позволяет регулировать расход воды, однако не способно остановить обратного движения закачанной жидкости после остановки закачки.

Известен межфланцевый обратный клапан, содержащий перекрывающий проходное отверстие фланцев круглый пластинчатый корпус с отверстием, опору, держатель, тарелку, сварную ручку и уплотнительные элементы. Круглый пластинчатый корпус образует с тарелкой клапанную пару, позволяющую проводить лоток жидкости в одну сторону, а ручка, выступающая над фланцами соединения, закреплена с пластинчатым корпусом с помощью сварки (патент РФ на полезную модель №100576, опубл. 20.12.2010).

Устройство позволяет остановить обратный поток жидкости после остановки закачки, однако не позволяет осуществлять регулирование объема закачки.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности является межфланцевый обратный клапан устьевой нагнетательной арматуры, который состоит из катушкообразного корпуса с центральным отверстием под обратный клапан, снабженного торцевыми кольцевыми уплотнительными выступами под соответствующие канавки. Последние выполнены в переднем и заднем соединительных фланцах трубопровода устьевой нагнетательной арматуры. При этом в качестве обратного клапана использована клапанная пара глубинного штангового насоса, рабочее положение которой находится в пределах положительного значения угла наклона ее оси к горизонтали. Клапанная пара состоит из шарика, размещенного в клапанной клетке с центральным и периферийными проходными каналами с возможностью продольного перемещения на величину хода клапана, и седла. Последнее зафиксировано седлодержателем со стороны переднего соединительного фланца трубопровода устьевой нагнетательной арматуры, снабженного расточкой под дискообразный фильтр. В последнем со стороны межфланцевого разъема трубопровода устьевой нагнетательной арматуры предусмотрен внутренний кольцевой буртик (патент РФ №2315172, опубл. 20.01.2008 - прототип).

Устройство позволяет остановить обратный поток жидкости после остановки закачки, однако не позволяет осуществлять регулирование объема закачки.

Во всех вышеуказанных устройствах при их работе на режимах закачки жидкости в нагнетательную скважину наблюдается кавитация жидкости в устройстве, приводящая к износу элементов устройства и выходу его из строя.

В предложенном способе решается задача устранения кавитации при закачке жидкости в нагнетательную скважину.

Задача решается тем, что штуцер-клапан включает цилиндрический корпус, закрытый с одной стороны крышкой с отверстиями, в центральном отверстии которой размещена манжета, размещенный с другой стороны цилиндрического корпуса цилиндрический ограничитель перемещения, вокруг которого размещена пружина, внутри цилиндрического корпуса в уплотнительных элементах расположена с возможностью перемещения вдоль оси цилиндрического корпуса в пределах от манжеты до цилиндрического ограничителя перемещения керамическая вставка с цилиндрическим отверстием внутри, контактирующая с пружиной, цилиндрический ограничитель перемещения при контакте с керамической вставкой выполнен с возможностью создания изолированной камеры, в которой размещена сжатая пружина, при этом площадь отверстий в крышке в 1,5-2,0 раза больше площади цилиндрического отверстия керамической вставки, а площадь поверхности цилиндра, дном которого является крышка, а верхом - керамическая вставка, соотносится к площади сечения цилиндрического отверстия керамической вставки как 1:(1,0-2,72).

Сущность изобретения

При разработке нефтяной залежи основным методом увеличения нефтеотдачи является поддержание пластового давления, которое осуществляется с помощью закачки в пласт рабочего агента - пресной, сточной или пластовой воды. При закачке рабочего агента в нагнетательные скважины необходимо осуществлять регулирование его объема. Для этого используют штуцерные устройства.

В результате местного понижения давления в жидкости, которое происходит при увеличении ее скорости при прохождении штуцерного канала, возникает кавитация. Кавитация вызывает постепенное разрушение штуцерного устройства. Поэтому целесообразно использовать штуцерные устройства со сменными вставками из материала, наиболее устойчивого к разрушению, в частности из керамики. Кроме того, сменные вставки позволяют регулировать объем закачки жидкости в нагнетательные скважины. В зависимости от необходимого объема закачки устанавливаются вставки с диаметром проходного канала от 2 до 10 мм.

Рабочее давление жидкости на устье скважины обычно составляет 4-15 МПа. Перепад давлений до и после штуцера составляет 1-4 МПа. Удельный вес используемой для закачки жидкости для разных объектов может меняться от 1,0 г/см³ в случае закачки подрусловой пресной воды до 1,18 г/см³ в случае закачки минерализованной пластовой воды, добываемой из глубоких горизонтов. При таком перепаде давления и различной плотности жидкости расход рабочего агента составляет 7,9-17,2 м³/сут для штуцера диаметром 2 мм. Для штуцера со вставкой диаметром 10 мм расход может составлять 198,3-430,7 м³/сут. Таким образом, в зависимости от диаметра штуцера расход может составлять от 7,9 до 430,7 м³/сут. В таких условиях кавитация становится практически неизбежной.

В предложенном устройстве выдержаны параметры, позволяющие полностью избежать кавитацию и обеспечить требуемый расход жидкости при закачке в нагнетательную скважину.

Заявленное устройство представлено на фиг.1 и 2, где на фиг.1 показано в закрытом положении, на фиг.2 - в положении прохода жидкости через устройство.

Устройство включает цилиндрический корпус 1, закрытый с одной стороны крышкой 2 с отверстиями 3, в центральном отверстии 4 которой размещена манжета 5, размещенный с другой стороны цилиндрического корпуса 1 цилиндрический ограничитель перемещения 6, вокруг которого размещена пружина 7. Внутри цилиндрического корпуса 1 в уплотнительных элементах 8 расположена с возможностью перемещения вдоль оси цилиндрического корпуса 1 в пределах от манжеты 5 до цилиндрического ограничителя перемещения 6 керамическая вставка 9 с цилиндрическим отверстием 10 внутри, контактирующая с пружиной 7. Цилиндрический ограничитель перемещения 6 при контакте с керамической вставкой 9 образует изолированную камеру «А», в которой размещена сжатая пружина 7. Площадь отверстий 3 в крышке 2 в 1,5-2,0 раза больше площади цилиндрического отверстия 10 керамической вставки 9. Площадь поверхности цилиндра «Б», дном которого является крышка 2, а верхом - керамическая вставка 9 соотносится к площади сечения цилиндрического отверстия 10 керамической вставки 9 как 1:(1,0-2,72).

Устройство работает следующим образом.

Работа устройства основана на том, что при прямом движении поток жидкости проходит через отверстия 3 крышки 2 внутрь цилиндрического корпуса 1, давит на керамическую вставку 9, керамическая вставка 9 преодолевает сопротивление пружины 7 и перемещается в уплотнительных элементах 8 по направлению потока до упора в цилиндрический ограничитель перемещения 6, открывая цилиндрическое отверстие 10 керамической вставки 9 для прохождения жидкости. Жидкость проходит через отверстия 3, цилиндрическое отверстие 10 и внутри цилиндрического ограничителя перемещения 6. Цилиндрический ограничитель перемещения 6 при контакте с керамической вставкой 9 образует изолированную камеру «А», в которой размещена сжатая пружина 7. Тем самым пружина 7, как наименее прочный элемент устройства, оказывается изолированной от воздействия потока жидкости, абразивных частиц, агрессивной среды. Пружина 7 выполняет роль демпфера, смягчая ударное воздействие керамической вставки 9 о цилиндрический ограничитель перемещения 6 при резком начале потока жидкости. Керамическая вставка 9 является сменным элементом конструкции, может быть использована с цилиндрическим отверстием 10 различного диаметра, чем обеспечивается регулирование объема закачиваемой жидкости.

Критерии устройства, такие как площадь отверстий 3 в крышке 2 в 1,5-2,0 раза больше площади цилиндрического отверстия 10 керамической вставки 9, и площадь поверхности цилиндра «Б», дном которого является крышка 2, а верхом - керамическая вставка 9, соотносится к площади сечения цилиндрического отверстия 10 керамической вставки 9 как 1:(1,0-2,72), обеспечивают отсутствие кавитации при любых режимах закачки жидкости в нагнетательную скважину при обеспечении задаваемого расхода жидкости.

При обратном потоке жидкости керамическая вставка 9 под действием пружины 7 прижимается к манжете 5, выполняющей при этом роль заглушки, цилиндрическое отверстие 10 керамической вставки 9 перекрывается, и обратное движение жидкости прекращается.

Использование данного устройства позволит снизить время обслуживания устьевой арматуры, металлоемкость оборудования, стоимость устьевой арматуры, устранить кавитацию.

Клапан-штуцер можно использовать со следующими параметрами. Диаметр одного отверстия крышки составляет 5 мм. Количество отверстий - 8. Общая площадь отверстий крышки составляет 156,96 мм². Количество отверстий и их диаметр могут меняться. При этом минимальная общая площадь отверстий должна быть в 1,5-2 раза больше площади проходного канала керамической вставки для того, чтобы не создавалось гидравлическое сопротивление, приводящее к кавитации. Диаметр проходного канала вставки составляет от 2 до 10 мм. Таким образом, максимальная площадь канала вставки - 78,5 мм². Следовательно, общая площадь отверстий крышки выбирается в пределах 118-157 мм².

Внутренний диаметр окружности, по которой поток воды входит в устройство, равен минимальному расстоянию между противоположными отверстиями и составляет 17 мм. Пропускная способность канала между гайкой и вставкой при перемещении штуцера не должна быть меньше пропускной способности штуцерного канала. Поэтому минимально необходимая площадь поверхности цилиндра, дном которого является крышка, а верхом - керамическая вставка, должна быть не меньше площади канала керамической вставки, то есть 78,5 мм. Диаметр этого цилиндра равен 17 мм, длина окружности 53,38 мм. Минимально необходимое смещение керамической вставки по направлению потока составляет 78,5/53,38=1,47 мм. Максимальное смещение керамической вставки до цилиндрического ограничителя перемещения 6 составляет 4 мм. Таким образом, смещение керамической вставки составляет 1,47-4 мм в зависимости от рабочего давления и расхода жидкости. Максимальная площадь поверхности цилиндра, дном которого является крышка, а верхом - керамическая вставка, таким образом составляет 53,38*4=213,52 мм², т.е. эта площадь может изменяться в пределах 78,5-213,52 мм², и эта площадь будет в 1,0-2,72 раз превышать площадь сечения цилиндрического канала керамической вставки.

Длина вставки в устройстве - 18,5 мм.

В устройстве место для пружины занимает 12,5 мм, пространство для перемещения вставки - 4 мм. Таким образом, посадочное место пружины составляет 8,5 мм, или около 70% от ее длины.

В устройстве с такими параметрами не наблюдается кавитации жидкости при закачке в нагнетательную скважину.

Применение предложенного устройства позволит устранить кавитацию жидкости при закачке в нагнетательную скважину.